專利名稱：具有高階曲線外形的可動桁架的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種桁架結構，尤其是一種具有高階曲線外形的桁架結構。
背景技術：
大跨屋蓋結構一般均采用曲面結構，而曲面結構是與建筑表現密切相關的“形狀抵抗型”空間結構。曲面結構形態的選擇，不僅影響建筑物的安全性和經濟性，也直接影響建筑物的使用性、審美性等對建筑物的所有要求。目前能夠選擇的曲面結構形態局限于比較單純的幾何形狀(圓筒形、扁平球體形、雙曲拋物面形等等)，滿足不了日益發展的建筑表現要求。曲面結構形態的假定是人為的，它的合理性與多樣性和設計人員的經驗、所掌握的知識水平密切相關，而且選擇的范圍也非常狹窄。曲面結構形狀的力學性質與加載狀態、結構邊界特性、支座條件等設計變量有著密切關系，以單純的幾何形狀來實現預定的結構合理性是相當困難的。所以一般來說經驗再豐富、理論水平再高也不能完全客觀地保證結構形態的合理性，而且對比較復雜的建筑項目來講尋找一個合理的結構形態是相當困難的。如果屋蓋結構在使用過程中能夠根據外部條件不斷調整結構形態，不僅可以保證結構形態的合理性，而且可以提供多種建筑外觀，以達到建筑的自適應和智能化。
發明內容
為了滿足曲面結構的受力合理性以及多功能體育場館舉辦不同活動時的燈光、空間、節能等的要求，十分有必要提出可以在多個幾何狀態之間變化的結構體系，并且其幾何外形可以從柱面網殼變化為高階曲面形狀。為了達到上述目的，本發明采用了如下技術方案一種具有高階曲線外形的桁架結構，包括連桿機構和拉索，所述的連桿機構由η 個四連桿機構通過η-l節點相互連接而成，η不小于3且不大于720，所述的四連桿機構由第一連桿、第二連桿、第三連桿及第四連桿相互轉動連接組成，所述的四連桿機構的第三連桿及第四連桿和相鄰四連桿機構的第一連桿和第二連桿共用一個節點，η個四連桿機構中第一個四連桿機構的第一連桿和第二連桿的節點與第一支座鉸接點轉動連接，最后一個四連桿機構的第三連桿和第四連桿的節點也與第二支座鉸接點轉動連接，所述的η-l個節點包括第一鉸接點、第二鉸接點以及η-3個銷接節點，第一鉸接點和第二鉸接點間隔的布置在η-3個銷接節點之間，與每個銷接節點連接的兩個四連桿機構的第一四連桿機構的第三連桿和另一個四連桿機構的第一連桿形成一根桿件，與每個銷接節點連接的兩個四連桿機構的第一四連桿機構的第四連桿和另一個四連桿機構的第二連桿形成一根桿件；所述的連桿機構被第一鉸接點、第二鉸接點、第一支座鉸接點以及第二支座鉸接點分為三個子連桿機構，在每個子連桿機構中首尾均為鉸接節點，在每個子連桿結構上設置第一拉索和第二拉索，所述第一拉索從該子連接結構首個節點開始，穿過第一個四連桿機構的第一連桿和第四連桿的連接節點，然后穿過第一個四連桿機構的第二連桿和第三連桿的連接節點，再穿過第二個四連桿機構的第一連桿和第四連桿的連接節點，隨后再穿過第二個四連桿機構的第二連桿和第三連桿的連接節點，如此反復，直至連接到尾部的節點，所述的第二拉索連接子連桿機構首尾的兩個節點；在第一鉸接節點或第二鉸接點連接的相鄰兩個四連桿機構的第二連桿和第三連桿的連接節點之間設置一根伸縮桿，其特征在于所述的第一連桿和第四連桿的長度相同，所述的第二連桿和第三連桿的長度相同，且第一連桿和第四連桿的長度大于第二連桿和第三連桿的長度。本發明通過六根拉索和一根伸縮桿長度的變化來改變桁架結構的幾何外形。本發明具有高階曲線外形的可動桁架結構，該桁架可以用作需要多個穩定幾何構形屋蓋體系的支撐結構，其不僅能滿足建筑對屋蓋形狀變化的各項功能要求，還具有設計和施工方便等優點，能較好地滿足各種跨度建筑對屋蓋開合功能的要求。本發明的有益效果是，本發明由壓桿組成具有四個自由度的連桿機構，并利用六根拉索和一根伸縮桿驅動連桿機構，形成可動桁架結構；該發明可以從一個幾何構形任意變化到另外多個幾何構形，并且在這些幾何構形處可以承受外荷載；因為連桿機構中第一連桿和第二連桿長度不同，所以可動桁架中每個子連桿機構的節點在變形時成一圓弧，相應的幾何外形為也為圓弧，而這些圓弧的曲率在桁架運動過程中也是變化的，所以可動桁架可以形成具有高階曲線的幾何外形；由于本發明由高強度索和壓桿組成，其質量較小，結構的部分剛度由預應力提供，所以可以節省大量的材料，減少自重；而且其構造合理、設計和施工簡單，適合于各種跨度的建筑。
下面結合附圖及實施例對本發明進一步詳細說明圖I是本發明結構示意圖。圖2是可動桁架變化后的幾何構形(拉索和伸縮桿沒有顯示)。圖3是可動桁架設計示意圖。
具體實施例方式下面參照說明書附圖，對本發明的具體實施方式
作出更為詳細的說明如圖I所示，一種具有高階曲線外形的可動桁架，由連桿機構和拉索構成，連桿機構由多個四連桿機構5組成，四連桿機構5由第一連桿I、第二連桿2、第三連桿3及第四連桿4組成，且第一連桿I的一端與第二連桿2的一端轉動連接，第二連桿2的另一端與第三連桿3的一端轉動連接,第三連桿3的另一端與第四連桿4的一端轉動連接,第四連桿4的一端與第一連桿I的另一端轉動連接，所述的四連桿機構5的第一連桿I和第四連桿4的長度相等，而其第二連桿2和第三連桿3的長度也相等，且第一連桿I和第四連桿4的長度大于第二連桿2和第三連桿3的長度，所述的連桿機構由η個四連桿機構5通過η-l節點相互連接而成，η不小于3且不大于720，且四連桿機構的第三連桿3及第四連桿4和相鄰四連桿機構的第一連桿I和第二連桿2共用一個節點，η個四連桿機構中第一個四連桿機構的第一連桿I和第二連桿2的節點與支座轉動連接，最后一個四連桿機構的第三連桿3 和第四連桿4的節點也與支座轉動連接，且在這η-l個節點中，有η-3個節點連接的四連桿機構的第三連桿3和相鄰四連桿機構4的第一連桿形成一根桿件，且四連桿機構的第四連桿4與相鄰四連桿機構的第二連桿2形成一根桿件，從而使這η-3個節點變為兩桿桿件的銷接節點，而另外兩個節點仍然為四根桿件相互鉸接節點，分別稱之為第一鉸接點6和第二鉸接點7，這樣形成的連桿機構共有四個自由度，為了使機構轉化為結構，本發明用六根拉索和一根伸縮桿作為驅動裝置。所述的連桿機構被第一鉸接點6、第二鉸接點7及兩個支座鉸接點分為三個子連桿機構，在每個子連桿機構中首尾均為鉸接節點，且用一根拉索8將首尾鉸接點相鄰，所述的拉索，從首部鉸接節點開始，穿過第一個四連桿機構的第一連桿I和第四連桿4的連接節點，然后穿過第一個四連桿機構的第二連桿2和第三連桿3的連接節點，再穿過第二個四連桿機構的第一連桿I和第四連桿4的連接節點，隨后再穿過第二個四連桿機構的第二連桿2 和第三連桿3的連接節點，如此反復，直至連接到尾部的鉸接節點，另一根拉索9連接子連桿機構首尾的兩個鉸節點，在第一鉸接節點6連接的相鄰兩個四連桿機構的第二連桿2和第三連桿3的連接節點之間設置一根伸縮桿10，從而通過六根拉索和一根伸縮桿長度的變化來改變桁架結構的幾何外形，圖2 —個變化后的具有高階曲線外形的桁架。圖I所示的支座鉸節點和第一鉸接點6、第二鉸接點7中間連接的子連桿機構均由 4個四連桿機構組成，這些子連桿機構中四連桿機構連接節點的連線為一圓弧，而且這些圓弧的曲率在桁架運動過程中是變化的，所以可動桁架可以形成具有高階曲線的幾何外形。將可動桁架的幾何設計分為兩個方面一個是正向設計；另一個是逆向設計。其中正向設計是指已知輸入參數，求桁架的幾何構形；逆向設計指已知其幾何構形，求輸入參數。如圖3所示，可以將可動桁架看成是一個七連桿機構，它有4個轉動鉸和3個滑動鉸，也即為RPRPRPR機構。可以看出，AB的長度，S是固定的，體系擁有4個自由度，則其輸入參數可以確定為AD、DE和BE的長度為Sl、S2和S3以及桿件AB和AD的夾角β。貝U其正向設計可以確定為已知81、82、83和β，求桁架的矢高、跨度等。由幾何知識可知，如果D點、 E點的坐標可知，體系的桁架的矢高、跨度等可以很方便地求得。D點、E點的坐標可以通過下式求得
權利要求
1.一種具有高階曲線外形的桁架結構，包括連桿機構和拉索，所述的連桿機構由η個四連桿機構通過η-l節點相互連接而成，η不小于3且不大于720，所述的四連桿機構由第一連桿、第二連桿、第三連桿及第四連桿相互轉動連接組成，所述的四連桿機構的第三連桿及第四連桿和相鄰四連桿機構的第一連桿和第二連桿共用一個節點，η個四連桿機構中第一個四連桿機構的第一連桿和第二連桿的節點與第一支座鉸接點轉動連接，最后一個四連桿機構的第三連桿和第四連桿的節點也與第二支座鉸接點轉動連接，所述的η-l個節點包括第一鉸接點、第二鉸接點以及η-3個銷接節點，第一鉸接點和第二鉸接點間隔的布置在 η-3個銷接節點之間，與每個銷接節點連接的兩個四連桿機構的第一四連桿機構的第三連桿和另一個四連桿機構的第一連桿形成一根桿件，與每個銷接節點連接的兩個四連桿機構的第一四連桿機構的第四連桿和另一個四連桿機構的第二連桿形成一根桿件；所述的連桿機構被第一鉸接點、第二鉸接點、第一支座鉸接點以及第二支座鉸接點分為三個子連桿機構，在每個子連桿機構中首尾均為鉸接節點，在每個子連桿結構上設置第一拉索和第二拉索，所述第一拉索從該子連接結構首個節點開始，穿過第一個四連桿機構的第一連桿和第四連桿的連接節點，然后穿過第一個四連桿機構的第二連桿和第三連桿的連接節點，再穿過第二個四連桿機構的第一連桿和第四連桿的連接節點，隨后再穿過第二個四連桿機構的第二連桿和第三連桿的連接節點，如此反復，直至連接到尾部的節點，所述的第二拉索連接子連桿機構首尾的兩個節點；在第一鉸接節點或第二鉸接點連接的相鄰兩個四連桿機構的第二連桿和第三連桿的連接節點之間設置一根伸縮桿，其特征在于所述的第一連桿和第四連桿的長度相同，所述的第二連桿和第三連桿的長度相同，且第一連桿和第四連桿的長度大于第二連桿和第三連桿的長度。
全文摘要
本發明公開了一種具有高階曲線外形的桁架結構，包括連桿機構和拉索，連桿機構由n個四連桿機構通過n-1節點相互連接而成，所述的四連桿機構由第一連桿、第二連桿、第三連桿及第四連桿相互轉動連接組成，所述的第一連桿和第四連桿的長度相同，所述的第二連桿和第三連桿的長度相同，且第一連桿和第四連桿的長度大于第二連桿和第三連桿的長度。因為連桿機構中第一連桿和第二連桿長度不同，所以可動桁架中每個子連桿機構的節點在變形時成一圓弧，相應的幾何外形為也為圓弧，而這些圓弧的曲率在桁架運動過程中也是變化的，所以可動桁架可以形成具有高階曲線的幾何外形。
文檔編號E04B7/16GK102605891SQ20121005963
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月8日 優先權日2012年3月8日
發明者馮健, 蔡建國 申請人:東南大學